行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
以脛骨鑲嵌法重建後十字韌帶的生物力學研究：股骨隧道的
方向和位置與移植物受力和固定強度的關係
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2213-E-038-010- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 臺北醫學大學外科 計畫主持人： 莊太元 共同主持人： 何為斌 計畫參與人員： 廖建忠,劉育良 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 95 年 10 月 31 日
研究成果報告 題目
中文計劃名稱
以脛骨鑲嵌法重建後十字韌帶的生物力學研究
:股骨隧道方向和位置與移植物受力和固定強度的關係
Biomechanical Study of Inlay Posterior Cruciate Ligament
Reconstruction:
The Effect of Femoral Tunnel Angle & Position on Graft Force &
Fixation Strength
主持人資料: 計劃編號: 94-2213-E-038-010-執行期限:2005.8.1-2006.7.31 主持人姓名: 莊太元 共同主持人: 何為斌 執行機構:台北醫學大學外科 計畫參與人員：廖建忠,劉育良 中文摘要： 關鍵詞: 膝關節/後十字韌帶/生物力學/ 比較研究 前言： 後十字韌帶在手術上, 較為一般 醫 師 採 行 的 脛 骨 隧 道 法 (Transtibial Tunnel Method), 其使用關節鏡手術, 於脛骨和股骨鑽製隧道. 把肌腱移植 物或是韌帶移植物, 植入隧道中, 再 固定起來。其中, 由於傳統的脛骨隧道 法(Transtibial Tunnel Method)的結果, 不盡令人滿意, 近來慢慢轉移到所謂 的脛骨鑲嵌法(Tibial Inlay Method).脛骨鑲嵌法是直接在脛骨平台的 後方, 也就是後十字韌帶的脛骨附著 處 (Footprint of PCL). 直接製做一個 凹 槽 . 而 把 帶 骨 的 移 植 物 (Bone-Patellar Tendon-Bone 或 是 Quadriceps Tendon-Bone), 其骨頭側釘 於凹槽處. 如此可以減少移植物在此 處的轉彎, 進以減少移植物的鬆弛,磨 損. 依目前發表的臨床結果, 前十字 韌帶重建大多可以得到滿意的結果; 但是後十字韌的重建得到的結果, 仍 有很大的差異性. 手術不令人滿意的原因, 包括傳 統的脛骨隧道法(Transtibial Tunnel Method), 在脛骨隧道後側的急轉彎, 造成移植物磨損或是鬆弛;忽略了合 併的受傷, 尤其後外側旋轉性的不穩 定 (Posterolateral Rotational Instability)等等. 以前學者所提出脛骨端轉彎固然 重要, 因它會造成移植物的磨損或斷 裂; 但根據以上實驗和臨床的發現, 以及最近的醫學會所報告的內容, 股 骨端的轉彎所造成的影響也絕不可忽 視. 目前股骨隧道的製作方法有二種 模式, 都廣為大家所接受. 一種是傳
統的 Outside-in 的股骨隧道製作法, 其 為 在 大 腿 處 開 一 傷 口 , 將 PCL femoral guide 放置於理想位置之後, 鑽入 K-Wire, 而後根據此一 K-Wire 的位置,以中空的 Reamer 鑽製股骨隧 道. 而 Inside-out 的股骨隧道製作法. 其為經關節鏡手術的 Low Inferolateral Portal, 在盡力彎曲膝關節後, 將 PCL femoral guide 放置於理想位置之後, 鑽入 K-Wire, 而後根據此一 K-Wire 的位置,以中空的 Reamer 鑽製股骨隧 道. Inside-out 的好處是不必在大腿再 切一個傷口, 也比較不會傷害股四頭 肌. 本實驗的目的,在比較各組股骨隧 道角度, 利用測量股骨端(模擬)受力的 模型, 在膝關節彎曲 0、30、60 與 90 度時來測量各組的移植物受力(Graft Force)的情形. 進一步釐清後十字韌帶 重建時, 為重塑膝蓋往後方向的穩定 度, 所選擇的隧道位置和角度, 對於 後十字韌帶重建所扮演的角色. 材料與方法： 10 隻成熟而體重都約在 100 公斤 左右的豬,各取其兩個後肢,總共有 20 付完整的膝關節.隨機先分成 2 組,每 組 10 隻, 各取下肢帶骨足掌筋代替所 謂股骨四頭肌或骨髕骨韌帶.。 第一組：, 10 組股骨-後十字韌 帶 - 脛 骨 結 合 体 (femur-PCL-tibia complex).脛骨隧道端也以鈦合金阻斷 性螺絲固定. 第二組：, 10 組股骨-後十字韌帶 - 脛 骨 結 合 体 (femur-PCL-tibia complex).脛骨隧道端也以鈦合金阻斷 性螺絲固定. 20 組股骨-後十字韌帶-脛骨結合 体(femur-PCL-tibia complex).在 90 度 彎曲,正常旋轉角度,兩側分別固定在 材材試驗机(MTS machine)上,股骨固 定在基座(base)的夾具,由移植物經由 隧道接上 LOAD CELL 之上. 脛骨垂 直固定在施力頭(cross-head)上的夾具 上. 做張力測試(Tensile strength test)。
先 施 以 垂 直 加 力 於 脛 骨 , 以 50mm/min 的 速 度 , 施 以 向 後 移 位 (posterior translation) 的 力 ， 施 力 到 140N 為止, 記錄其 LOAD CELL 的應 力。並觀察各小組移植物的變化. 以膝彎曲 90 度, 60 度, 30 度, 及 0 度的各角度均做測試. 以 student T 驗來化較,分析各小 組的差異。並分析負載/位移之線性迴 歸因線。 結果： 在各組中我們取其中 7 組有效的 實驗數據. 膝彎曲 90 度 INSIDE-OUT(I) 組 42.79 ± 6.5N,: OUTSIDE-IN(O) 組 81.27±10.2N (p=0.0034<.01, Student T test) 膝彎曲 60 度 INSIDE-OUT(I) 組 60.45 ± 5.5N,: OUTSIDE-IN(O) 組 91.33±12.2N (p<.05, Student T test)
膝彎曲 30 度 INSIDE-OUT(I) 組 75.77 ± 5.6N,: OUTSIDE-IN(O) 組 77.97±8.0N (p>.05, Student T test) 膝彎曲 0 度 INSIDE-OUT(I) 組 91.33 ± 7.2N,: OUTSIDE-IN(O) 組 82.97±8.2N (p>.05, Student T test) 討論： 依過去針對後十字韌帶的股骨端 的生物力學研究, 各個學者提出了不 同的看法, 但並沒有股骨轉彎的生物 力學的研究; 其中各個學者對後十字 韌 帶 股 骨 端 的 生 物 力 學 研 究 . Dr. Harner 著 力 在 股 骨 端 雙 股 (double bundle)重建. 其認為在各個膝蓋彎曲 的角度, 以 double-bundle 較能重塑膝 的穩定度. Dr. Albright& Dr. Ortiz 等等 長點(Isometry)的探討. 利用不同的力 量施予移植物時, 股骨端的等長點會 改變. 而 Dr. Markolf 等則合併脛骨鑲 嵌法(Tibial Inlay Method) 做生物力學 的研究, 支持在股骨端 Eccentric point 上 做 重 建 ( 前 外 束 anterolateral-AL bundle 的 重 建 ); 這 樣 在 股 骨 端 Eccentric point 的重建, 其移植物的受 力(Graft Force)較少. 除了生物力學的研究, 在 X 光影 像學的研究上:若以脛骨鑲嵌法重建 後十字韌帶, 因可以精確地選擇鑲嵌 的位置, Dr. Miller 等除了在臨床上採 用鑲嵌法重建後十字韌帶之外, 也在 研究上, 針對股骨端,提出關鍵角度 (Critical Angle); 認為除了脛骨端 轉彎的角度(一般稱為 Acute Turn)會 影響移植物之外, 在股骨端轉彎的角 度也不可忽視. 但在實驗之中, 我們較難去掌握 模型的 eccentric point 和 central point, 因此這一部分是以 PCL anterolateral bundle 的 point 做為代表. 在實驗中, 我們發現移植物, 在 利用 INSIDE-OUT 股骨隧道製作法的 方法. 在膝彎曲 90 度時, 有較小的移 植物受力. 其他角度並沒有明顯的差 異. 因在後字韌帶斷裂時的臨床表現 上, 當膝彎曲 90 度時, 膝關節會受到 較大後後的力量. 本實驗也印證這個 力 量 會 傳 至 移 植 物 上 . 證 實 INSIDE-OUT 和 OUTSIDE-IN 方法中 移植物受力的不同. INSIDE-OUT 股骨隧道製作法的 方法中, 臨床上的這樣較小的受力, 對移植物而言, 理論上會有較好的保 護作用. 但在臨床上, 並不代表這就 比較有利, 相對的力量可能被股骨轉 彎所吸收. 而這樣的力量在股骨轉彎 處可能會造成移植物的傷害. 例: OUTSIDE-IN(O-6)組 例: OUTSIDE-IN(O-6)組
計畫成果自評： 從本研究作者得到以下幾點心得： 本實驗顯示, 若以脛骨鑲嵌法重 建後十字韌帶,利用 INSIDE-OUT 股骨隧道製作法的方法.在膝彎曲 90 度時, 有較小的移植物受力, 對移植物有較好的保護作用. 雖 本 實 驗 顯 示 , 利 用 INSIDE-OUT 股骨隧道製作法的 方法.有較小的移植物受力. 但我 們認有部分的力量分散至股骨隧 道的轉彎處. 目前仍無法證實此 力量在股骨隧道轉彎, 是否會造 成移植物的型變或磨損. 後十字韌帶重建術後的復建, 膝 彎曲角度的增加, 應較保守. 本套以豬為實驗動物模型的生物 力學測試模式，可運用於前十字 韌帶，後十字韌帶，內外側側韌 帶，和後外側構造等相關的生物 力學研究 以壓力感測片受力板的受力及移 植物的形變, 來切入後十字韌帶 移植物的癒合, 是下一階段研究 的重點. 參考文獻:
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